بکارگیری لیدارهای سوار شده بر سکوی پهپادی  برای نقشه برداری از زمین ها و ساختار گیاهی پیچیده

بکارگیری اسکنرهای لیزری سبک وزن جدید برای ایجاد ابر نقطه ای با قدرت تفکیک بسیار بالا

توسعه سنجنده های لیزری از رده نقشه برداری سبک وزن، تجهیز پهپادها با اسکنرهای لیزری بسیار دقیق را ممکن ساخته و بنابراین امکانات جدیدی را در حوزه نقشه برداری سه بعدی برد کوتاه در اختیار قرار می دهد. برای بررسی قابلیت های اسکنر لیزری سوار شده بر پهپاد، یک پرواز آزمایشی با استفاده از یک اسکنر RIEGL VUX  موج ساخت کامل سوار شده بر پهپاد RIEGL RiCOPTER انجام گرفت. در این آزمایش، هر دو ساختار پوشش گیاهی و توپوگرافی یک جنگل آبرفتی در طول رودخانه Pielach در جنوب اتریش اخذ شدند. ابر نقطه ای منتج شده تراکمی بیش از ۱۵۰۰ نقطه در هر متر مربع و دقتی بهتر از ۲ سانتیمتر را ارائه نمود.

Neubacher Au یک منطقه حفاظت شده Natura2000 در نزدیکی محل تلاقی دو رودخانه Pielach و دانوب است (شکل ۱). این یک ناحیه در نتیجه طغیان های دوره ای در طول فصول سیلابی، نمای بسیار پویایی دارد.  توپوگرافی رودخانه در بردارنده کانال های طبیعی، کانال های کناری و دریاچه های نعلی شکل است. این توپوگرافی و ساختار پوشش گیاهی دائماً در حال تغییر است. جنگل های آبرفتی به عنوان یک منطقه بازگشتی برای گونه های زمینی و آبی، دارای ارزش زیست بومی بالایی هستند. نقشه برداری از این مناطق حساس با روش های زمینی سنتی و یا تکنیک های هوایی در نتیجه پیچیدگی بالای زمین و پوشش گیاهی، بسیار چالش برانگیز است.

پیشرفت های اخیر در ارتباط با سنجنده های لیداری از رده نقشه برداری با وزنی کمتر از ۱۰ کیلوگرم، دریچه های جدیدی را به روی نقشه برداری سه بعدی از نماهای طبیعی دارای پیچیدگی با قدرت تفکیک بالا باز می کند. به منظور ارزیابی پتانسیل اسکن لیزری پهپادی، یک پرواز آزمایشی با استفاده از سنجنده RIEGL VUX سوار شده روی یک پهپاد RIEGL RiCOPTER انجام شد.

سیستم سنجنده

سکوی حامل یک RIEGL RiCOPTER است که یک پهپاد ۸ کوپتری است. چهار بازوی حامل تاشونده که هریک یک آرایه کمکی دو پره ای را حمل می کنند، به بدنه اصلی فیبر کربنی متصل شده اند. یک بخش زیرین برای جذب شوک وجود دارد و فرود ایمن را تضمین می نماید. بیشترین بار حمل شده، با در برداشتن باتری ها و تمام مولفه های سنجنده ای ۱۶ کیلوگرم است. در صورت حمل بیشینه بار در هنگام بلند شدن از زمین (۲۵ کیلوگرم)، این RiCOPTER می تواند تا ۳۰ دقیقه به پرواز ادامه دهد. بیشترین ارتفاع پرواز ۱۵۰ متر است، اما مقررات محدود کننده ملی برای هواپیماهای بدون سرنشین غیرنظامی باید در نظر گرفته شود.

سیستم سنجنده VUX بصورت مکانیکی و الکترونیکی با بدنه پهپاد RiCOPTER ادغام شده اند. این در بردارنده یک سیستم ماهواره ای ناوبری جهانی (GNSS)، یک واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) برای اخذ مسیر پرواز، اسکنر لیزری زمان پرواز VUX-1، یک واحد کنترلی و یک دوربین برای تهیه ویدئو از جریان رودخانه است. به علاوه، دو دوربین Sony Alpha 6000 RGB نیز می توانند روی پهپاد سوار شوند. اسکنر دارای یک نرخ اندازه گیری موثر ۳۵۰ کیلوهرتزی با زاویه دید کلی ۲۳۰ درجه ای است. زاویه دید بزرگ برای نقشه برداری از پوشش گیاهی نظیر درختان که باید از هر دو سمت بالای چتر و کنار اخذ شوند، مفید است. دقت اسکن بر اساس داده های ارائه شده توسط فروشنده ۱۰ میلیمتر است. شکل ۲ یک عکس از پهپاد و سیستم سنجنده درست پس از بلند شدن از زمین، با جنگلی آبرفتی قابل مشاهده در پس زمینه را نشان می دهد.

اخذ داده ها

داده ها در ۲۶ فوریه ۲۰۱۵ و تحت شرایط بدون برگ اخذ شدند. تیم پروازی شامل راهبر که پهپاد و سنجنده را از راه دور و بر اساس خط دید و یا تصاویر ویدئویی کنترل می کند، است. یک اپراتور اضافی نیز در کنار کامپیوتر ایستگاه زمینی برای هدایت ماموریت پروازی حضور دارد. اخذ داده های منطقه مورد نظر بر اساس یک برنامه پروازی استاندارد برای اسکن لیزری هوایی با نوارهای طولی و عمودی انجام شد. فاصله منظم نوارها ۴۰ متر و ارتفاع پرواز ۵۰ متر از سطح زمین بود که حدوداً ۱۵ متر بالای بالاترین درختان قرار داشت. بسته به فاصله سنجنده تا هدف، قطر نقطه زمینی لیزری منتج شده بین ۱ تا ۲٫۵ سانتیمتر بوده و امکان شناسایی عوارض گیاهی را فراهم می سازد. بلند شدن از زمین و شروع به کار اولیه سیستم راهبری بصورت دستی انجام شد. سیستم GNSS/IMU بصورت اولیه روی زمین و پس از برخاستن از زمین از طریق حرکت رو به عقب پهپاد، هم راستا شد. پس از اتمام پروسه اولیه، سیستم هدایت خودکار کنترل را در دست گرفته و RiCOPTER مسیر برنامه ریزی شده رابصورت خودکار و با سرعت ۸ متر بر ثانیه می پیماید. پارامترهای ماموریت و زاویه دید بزرگ اسکنر منجر به تراکم پالس لیزری متوسط ۱۵۰۰ نقطه در متر مربع و همپوشانی های نواری چندگانه شده و بنابراین، پوشش گیاهی از تمام جهات اخذ می شود.

همچنین، این همپوشانی نواری بالا از طریق سرشکنی نوار برای کالیبره نمودن کلی سیستم سنجنده در مرحله پسا پردازش مورد استفاده قرار گرفت. این از طریق کمینه کردن همزمان فاصله نقطه تا صفحه برای بیش از ۱۰۰۰۰۰ نقطه متناظر انجام گردید. در سرشکنی نوار، سیستم اخذ داده ها مجدداً بطور کامل کالیبره شد. این در بردارنده برآورد پارامترهای کالیبره کردن اسکنر (خطای مقیاس فاصله یاب)، پارامترهای کالیبره نمودن سیستم سوار شده (نامیزانی بازوی اهرم) و خطاهای وابسته به نوار مسیر پرواز (خطاهای IMU و GNSS) است. سرشکنی منجر به بهبود کیفیت قابل توجهی در ابر نقطه ای اخذ شده می شود و دقت نسبی نهایی در حدود ۱٫۷ سانتیمتر خواهد بود (شکل ۳).

نتایج و کاربردها

در حالی که کار پردازش داده های پرواز همچنان در دست انجام است، ابتدا نتایج اولیه در شکل ۴ نشان داده شده اند. نمای پرسپکتیو از ابر نقطه ای سه بعدی رنگ آمیزی شده از طریق بازتابش ها در شکل ۴ الف نشان داده شده است، که در آن شاخه اصلی، سرچشمه و شاخه های ضخیم تر که با شدت های مختلف رنگ قرمز ظاهر شده اند مشخص کننده بازتابش بالای هدف بوده و مقادیر کمتر (سبز تا آبی) برای شاخه های باریک تر و انشعابات مشاهده شده اند. شکل ۴ ب بخش کوچکی از یک مدل رقومی ارتفاعی با قدرت تفکیک ۵ سانتیمتری در نزدیکی زمین را نشان می دهد، که مشخص کننده آن است که عوارض توپوگرافی و چوب های مرده می توانند با دقت قابل توجهی نقشه برداری شوند. به علاوه، تراکم و انسجام مکانی ابرهای نقطه ای این امید را ایجاد می کنند که می توان از آنها برای مشخص کردن ناهمواری های زمین با دقتی بهتر از ۱۰ سانتیمتر نیز استفاده نمود. یک زمینه کاربردی بالقوه مدل سازی سیلاب هاست که در آن علاوه بر هندسه، ناهمواری ها (مقاومت در برابر جریان) نیز یک پارامتر ورودی دارای اهمیت است.

هر دو شکل ۴ الف و ب پتانسیل بکارگیری ابر نقطه ای سه بعدی با تراکم بسیار بالا را برای مدل سازی هر درخت با جزئیات بالا نشان می دهند. اگرچه دست یابی به پوشش کامل هر درخت از طریق نقاط در تمامی جهات و ساخت بدنه تا چتر آن با استفاده از اسکنر لیزری زمینی (TLS) مشکل است، این امکان با توجه مسیر پرواز منعطف در اسکن لیزری هوایی (ULS) فراهم شده است. بنابراین، ابرهای نقطه ای ایجاد شده از طریق اسکن لیزری هوایی مزایای TLS (فاصله کوتاه سنجنده تا هدف) و ALS (فاصله دهی نقاط به روش مسطحاتی منظم، نما از چشم پرنده) را در هم آمیخته است. ULS در مقایسه با TLS، سایه اسکن کمتری دارد، چرا که پرتو لیزری پیش از برخورد با شاخه های ضخیم تر و یا تنها درخت در نزدیکی زمین، از ناحیه چتری نسبتاً تنکی عبور می کند. در نتیجه نرخ بالای اسکن و تراکم بسیار زیاد نقاط، بسیاری از آخرین پژواک ها با زمین برخورد می کنند. این امکان استخراج مدل رقومی زمین با قدرت تفکیک بسیار بالا را با فواصل شبکه ای ۱۰ سانتیمتری فراهم می سازد.

قطر جبهه ارتفاعی (DBH) یک پارامتر مهم در جنگل داری است، چرا که در ترکیب با ارتفاع درخت امکان برآورد زیست توده را فراهم می سازد. اگرچه بدست آوردن ارتفاع درختان از طریق ALS فناوری به روزی به حساب می آید، برآوردن DBH بر اساس داده های سنجش از دوری لیدار در حال حاضر تنها از طریق TLS ممکن است. این روش اسکن در محیط های جنگلی بسیار زمان بر بوده و به کار فشرده ای نیاز دارد. شکل ۴ ث یک مقطع افقی از ابر نقطه ای ULS که در بردارنده تمام نقاط در محدوده ارتفاعی ۱٫۲ تا ۱٫۴ متر بالای زمین است را نشان می دهد. در این مجموعه داده قطر تنه می تواند بصورت مستقیم با دقت سانتیمتر اندازه گیری شود. در شکل ۴ ث برای نقاط هر نوار پروازی از یک رنگ استفاده شده است، که بر کیفیت قابل توجه زمین مبنا کردن تاکید می کند.

نتایج

آزمایش میدانی بکارگیری سیستم سنجنده RIEGL VUX سوار شده بر پهپاد RiCOPTER یک ابر نقطه ای سه بعدی همگن و با قدرت تفکیکی بسیار بالا را از یک ناحیه آبرفتی پیچیده در هر دو حوزه توپوگرافی و پوشش گیاهی را ارائه نمود. این آزمایش با ترامن نقطه ای بیش از ۱۵۰۰ نقطه در هر متر مربع، دقت تناسب نواری ارتفاعی کمتر از ۲ سانتیمتر و اخذ جامع داده های شکل زمین و ساختار پوشش گیاهی، پتانسیل فوق العاده اسکن لیزری پهپادی برای بکارگیری در علوم و کاربردهای مرتبط با محیط زیست را آشکار ساخت.

برای کسب اطلاعات بیشتر درباره دوره آموزشی پردازش تصاویر پهپاد فتوگرامتری کلیک کنید.